سوف يقوم FiberMall بتحليل ضرورة إدخال تقنية التبريد السائل في محولات مركز البيانات من منظور السياسة والرقائق ومناقشة التمايز بين الحلول المختلفة لتقنية التبريد السائل ، بالإضافة إلى تجربة البحث والتطوير وإنجازات Ruijie في التبريد السائل باللوح البارد التبديل والتبريد السائل الغمر التبديل.
مع زيادة الإنترنت والحوسبة السحابية وخدمات البيانات الضخمة ، يزداد إجمالي استهلاك الطاقة لمراكز البيانات ، وتحظى كفاءة الطاقة فيها باهتمام متزايد. وفقًا للإحصاءات ، فإن متوسط فعالية استخدام الطاقة (PUE) لمركز البيانات هو 1.49 ، وهو أعلى بكثير من متطلبات أن يكون PUE أقل من 1.25 لمركز بيانات كبير جديد.
تخفيض PUE وشيك. كيف يمكن لمصنعي معدات الشبكات أن يقللوا بشكل كبير من استهلاك الطاقة مع ضمان الأداء العالي؟ كعامل رئيسي يؤثر على كل من الأداء واستهلاك الطاقة ، أصبح نظام التبريد محور إصلاح مركز البيانات ، وتحل تقنية التبريد السائل تدريجياً محل تبريد الهواء التقليدي باعتباره حل التبريد السائد نظرًا لمزاياه الفريدة.
استهلاك الطاقة ومنظور السياسة
قيمة PUE هي نسبة إجمالي استهلاك الطاقة لمركز البيانات إلى استهلاك الطاقة لمعدات تكنولوجيا المعلومات. كلما اقتربت قيمة PUE من 1 ، كلما قل استهلاك الطاقة للمعدات غير المتعلقة بتكنولوجيا المعلومات ، كان مستوى كفاءة الطاقة أفضل وكان مركز البيانات أكثر خضرة.
الشكل 1. مقياس PUE
وجدت FiberMall أن متوسط استهلاك الطاقة لنظام التبريد يصل إلى 33٪ من استهلاك الطاقة لمركز البيانات ، وهو ما يقرب من ثلث إجمالي الاستهلاك. وذلك لأن نظام تبريد الهواء المستخدم في مركز البيانات التقليدي يستخدم الهواء بقدرة حرارية معينة ناقصة كوسيط تبريد. مدفوعة بالمروحة في الجهاز ، يتم نقل الحرارة المنقولة بواسطة وحدة المعالجة المركزية ومصادر الحرارة الأخرى إلى المبرد بعيدًا عن معدات تكنولوجيا المعلومات ، ويتم تبريد الهواء عن طريق تدوير المبادل الحراري لفائف المروحة أو تبريد تكييف الهواء ، وهو أيضًا الحد من تبريد الهواء. لذلك ، أصبح حل كفاءة استخدام الطاقة لنظام التبريد تحديًا لتكرار التكنولوجيا يواجهه مصنعو المعدات في ظل بيئة السياسة الجديدة.
الرقم 2. تكوين استهلاك الطاقة في مركز البيانات
منظور طلب تبريد رقاقة
مع تطوير شرائح التبديل ، يمكن لعمليات الرقاقة عالية الأداء (مثل 5 نانومتر) أن تقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة لكل وحدة من طاقة الحوسبة. ومع ذلك ، مع زيادة عرض النطاق الترددي لشريحة التبديل إلى 51.2 تيرا بايت في الثانية ، ارتفع إجمالي استهلاك الطاقة لشريحة واحدة إلى حوالي 900 واط. لذلك ، أصبحت كيفية حل مشكلة تبديد الحرارة لشريحة الجهاز صعوبة في تصميم الأجهزة للجهاز بأكمله.
على الرغم من أن نظام التبريد المبرد بالهواء الحالي لا يزال قادرًا على دعم العملية ، عندما يكون التدفق الحراري للرقاقة (تدفق الطاقة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية) أكبر من 100 واط / سم² ، فإن المشكلة ستأتي واحدة تلو الأخرى:
الاسم الأول، فإن الخفض الإضافي للمقاومة الحرارية للمشتت الحراري يواجه عنق الزجاجة. من أجل أن تكون قادرًا على حل الشريحة الصغيرة التي تقارب كيلوواط من الطاقة الحرارية ، يحتاج المشتت الحراري إلى استخدام مقاومة حرارية كلية أقل للنهج المعماري. هذا يعني أيضًا أن هناك حاجة إلى توصيل حراري أفضل وتصميم المشتت الحراري إذا كانت السعة المتزايدة للمشتت الحراري تهدف إلى موازنة زيادة استهلاك الطاقة للرقاقة. ولكن في الوقت الحالي ، فإن تصميم ومعالجة أحواض الحرارة عالية الأداء المبردة بالهواء قد حصلوا في الغالب على أنبوب حراري وغرفة بخار ودعم ثلاثي الأبعاد VC ، والتي هي بالفعل قريبة من حد تحسين الأداء.
الثاني من الصعب حل مشكلة تبديد الحرارة من خلال توسيع حجم المشتت الحراري ، وذلك بسبب متطلبات الارتفاع لمنتجات التبديل. لأن الحرارة التي تبدأ من الرقاقة تخترق غلاف الرقاقة ، ومواد الواجهة الحرارية ، وغرفة البخار ، واللحام ، وأنبوب الحرارة ، وما إلى ذلك ، ولكنها عالقة أخيرًا في زعانف الواجهة للهواء الصلب. وبسبب انخفاض معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري بين الزعانف والهواء ، من أجل الوصول إلى منطقة تبديد الحرارة المطلوبة لتبريد رقاقة عالية الطاقة ، يتعين على مهندسي التصميم الحراري توسيع حجم المشتت الحراري مرارًا وتكرارًا ، يكاد يملأ المساحة المتاحة داخل الخوادم والمفاتيح. يمكن القول أن عنق الزجاجة الأخير لتبديد حرارة الهواء المبرد هو هيكلها ذي الزعانف للطلب غير المرن على الفضاء. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل زيادة حجم الهواء ، وصلت سرعة المروحة إلى 30,000 دورة في الدقيقة ، وتستغرق الطائرةoff-مثل الضجيج هو تطوير مقلق للغاية وموظفي العمليات.
أخيرا، مع استمرار ارتفاع استهلاك طاقة الرقاقة ، فإن قدرة التبريد لنظام تبريد الهواء على وشك الوصول إلى الحد الأقصى. حتى إذا كانت المشتتات الحرارية المبردة بالهواء قادرة على حل مشكلة تبريد المفتاح الحالي ، في المستقبل ، عندما يصبح 102.4 / 204.8 تيرا بايت في الثانية سائدًا ويكون استهلاك طاقة الرقاقة أكبر ، فلن تتمكن أحواض الحرارة المبردة بالهواء في النهاية من التعامل. لذلك ، تظهر تقنية التبريد السائل عالية الأداء للجيل القادم من معدات تكنولوجيا المعلومات. في السنوات الخمس إلى العشر القادمة ، أصبح هناك إجماع في الصناعة على أنه سيتم استبدال تبريد الهواء تدريجياً بالتبريد السائل في مراكز البيانات.
تصنيف ومزايا وعيوب تقنية التبريد السائل
تنقسم تقنية التبريد السائل الحالية بشكل أساسي إلى تبريد سائل أحادي الطور وتبريد سائل على مرحلتين. في المستند التعريفي التمهيدي COBO "اعتبارات التصميم الخاصة بالاتصال البصري في محول البصريات المُغلف أو المدمج" ، قام Ruijie بفرز وتصنيف أشكال أنظمة التبريد الخاصة بمعدات تكنولوجيا المعلومات في مراكز البيانات (الشكل 3).
يعني التبريد السائل أحادي الطور أن المبرد يحتفظ دائمًا بالسائل في عملية دورة تبديد الحرارة ويسهل التخلص من الحرارة من خلال السعة الحرارية العالية النوعية.
يعني التبريد السائل ثنائي الطور أن المبرد يخضع لتغير طوري أثناء عملية تبديد الحرارة ، ويقوم المبرد بإزالة الحرارة من المعدات من خلال الحرارة الكامنة العالية للتبخر.
في المقابل ، يتميز التبريد السائل أحادي الطور بتعقيد أقل ويسهل تحقيقه ، وقدرة تبديد الحرارة كافية لدعم أجهزة تكنولوجيا المعلومات في مركز البيانات. لذلك فهو الخيار الأفضل في المرحلة الحالية.
الشكل 3. أوضاع تبديد الحرارة الرئيسية لأجهزة تكنولوجيا المعلومات في مركز البيانات
ينقسم التبريد السائل أحادي الطور إلى تبريد سائل صفيحة باردة وتبريد سائل مغمور. يعمل التبريد السائل للوحة الباردة على إصلاح اللوح البارد السائل على جهاز التسخين الرئيسي للمعدات ويعتمد على السائل المتدفق عبر الصفيحة الباردة لإبعاد الحرارة لتحقيق الغرض من تبديد الحرارة. يوجد بالفعل العديد من التطبيقات لمركز بيانات الكمبيوتر العملاق ، وقد شجعت لجنة OCP على نشر معيار بنية المنوع من خلال Open Rack V3.0.
التبريد السائل الغاطس هو غمر الآلة بالكامل مباشرة في المبرد ، بالاعتماد على التدفق الطبيعي أو القسري للسائل لسحب الحرارة الناتجة عن تشغيل الخادم والمعدات الأخرى. لقد تم استخدامه على نطاق واسع في تعدين العملات الرقمية والحوسبة الفائقة وكان أيضًا موضوعًا ساخنًا تمت مناقشته من قبل OCP و ODCC ومنظمات أخرى في السنوات الأخيرة. قام مركز البيانات التابع لشركة حوسبة سحابية كبيرة بنشر واسع النطاق.
تشمل مزايا التبريد السائل الغاطس ما يلي:
- لأن المبرد يتصل مباشرة بالمعدات ، فإن قدرة تبديد الحرارة أقوى ، وخطر ارتفاع درجة الحرارة للجهاز أقل ؛
- لا تتطلب معدات التبريد بالسائل الغاطس مراوح ، مما يؤدي إلى تقليل اهتزاز المعدات وإطالة عمر الأجهزة.
- درجة حرارة الإمداد بالماء المبرد من جانب غرفة التبريد السائلة عالية ، والجانب الخارجي أسهل للتسخين. ومن ثم ، فإن اختيار موقع الغرفة لم يعد عصر تبريد الهواء ، لذا فهو مقيد بالمنطقة ودرجة الحرارة.
بالطبع ، التبريد السائل الغاطس له أيضًا عيوب ، بما في ذلك التكلفة العالية ، ومتطلبات السلامة العالية ، ومتطلبات الحمل العالية.
مزايا التبريد السائل باللوح البارد هي كما يلي:
هناك تغييرات قليلة في غرفة المعدات. فقط الرفوف ، ووحدات توزيع المبرد (CDU) ، وأنظمة إمداد المياه تحتاج إلى التغيير. علاوة على ذلك ، يمكن أن يستخدم التبريد السائل للوحة الباردة أنواعًا أكثر من المبرد ، والكمية أقل بكثير من نوع الغمر ، وبالتالي فإن تكلفة الاستثمار الأولية أقل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سلسلة صناعة التبريد السائل للوحة الباردة أكثر نضجًا ، والسوق أكثر قبولًا. ومع ذلك ، فإن الصفيحة الباردة لها أيضًا بعض القيود. أولاً ، قد تتسرب خطوط وموصلات السوائل ، مما يتسبب في تلف المعدات وانقطاع الخدمة.
تجربة البحث والتطوير لمفتاح تبريد سائل غمر
في السنوات الأخيرة ، استكشفت الشركات الكبرى حل مراكز البيانات المبردة بالسوائل الغاطسة ، وقد اكتسبت شبكة Ruijie خبرة أكبر في البحث والتطوير لمفتاح التبريد السائل الغاطس ، والذي ينعكس بشكل أساسي في المظهر الهيكلي ، وانقطاع المروحة ، وتوافق المواد ، خصائص النظام الدولي للوحدات (سلامة الإشارة) أربعة جوانب:
- المظهر الهيكلي
أولاً ، التغيير الأكبر هو أن مصدر الطاقة قد تم نقله من اللوحة الخلفية للمفتاح إلى اللوحة الأمامية. تعمل واجهة اللوحة أيضًا على زيادة عرض المحول من 19 بوصة إلى 21-23 بوصة لتناسب اثنين من مصادر الطاقة. سيتغير أيضًا تصميم محاذاة مصدر الطاقة للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل عام.
الشكل 4. التغييرات في مظهر التبديل
بسبب التكلفة العالية لسائل التبريد ، من أجل توفير الاستخدام الكلي لسائل التبريد قدر الإمكان ، يتم ملء المساحة الإضافية بحشو لتحقيق الغرض من احتلال مساحة أكبر للمبرد في خزان الغمر المخصص المستند إلى الخادم. كما هو مبين في الشكل 5 ، فإن الكتلة الصفراء هي الحشو ، والذي يستخدم لاحتلال السائل.
الرقم 5. تبديل تطور هيكل
- انقطاع المروحة
تؤدي التغييرات الهيكلية أيضًا إلى اقتصاص المروحة بشكل عام. لم يعد المصممون بحاجة إلى تصميم مراوح الجهاز للمفتاح فحسب ، بل يمكنهم أيضًا اختيار تصميم بدون مروحة لمصدر الطاقة. لا يقلل هذا التغيير من قيمة PUE فحسب ، بل يقلل أيضًا بشكل كبير من الضوضاء في غرفة الخادم.
- التوافق المادي
نظرًا لأن المبرد للتبريد السائل الغاطس ينقسم بشكل أساسي إلى مركبات الكربون الفلورية ومجموعة متنوعة من الزيوت ، يجب أن ينتبه المفتاح للنقطتين التاليتين:
- ما إذا كانت مواد الأجهزة البصرية المستخدمة مختومة أم لا. إذا لم يتم إغلاقها وحدث تسرب ، فقد يؤدي تلوث المسار البصري إلى توهين الإشارة وفشل التبديل ؛
- ما إذا كانت جميع الأجهزة ستتفاعل جسديًا أو كيميائيًا مع المبرد. في حالة حدوث تفاعل ، ستتغير نسبة المواد لبعض مكونات المفتاح الأصلي ، مما سيؤدي إلى مخاطر مثل تغيير العزل. لذلك ، يجب أن تكون الأجزاء الهيكلية غير المعدنية ، والأجزاء الكهربائية المختلفة ، ومواد TIM ، وكتل الحشو ، والمقابض البلاستيكية ، وتجميعات العروة المعلقة ، والملصقات ، والمواد اللاصقة ، والموصلات ، والكابلات ، ولوحات الدوائر المطبوعة (PCB) متوافقة مع المبرد.
- خصائص النظام الدولي الموحد (سلامة الإشارة)
نظرًا لأن مفتاح الغمر المبرد بالسائل سيكون على اتصال مباشر بالسائل ، فإن SI (سلامة الإشارة) سوف تتأثر بالسائل. لذلك هناك متطلبات خاصة للوحات ثنائي الفينيل متعدد الكلور على النحو التالي.
(1) حاول تجنب التثبيت السطحي للنماذج الرئيسية.
(2) لا تتأثر الإشارة الداخلية ، ويتم تثبيت سطح الإشارة منخفضة السرعة دون الكثير من الاهتمام.
(3) يجب أن تكون الإشارة عالية السرعة مثبتة على السطح ، لتحسين تصميم المعاوقة ؛
(4) مروحة من BGA والموصلات لتقليل طول خط السطح ؛
(5) يختلف تصميم الخسارة وتصميم المعاوقة لـ 25G و 50G SerDes عن التصميمات التقليدية.
تجربة البحث والتطوير لمفتاح تبريد سائل اللوحة الباردة
بناءً على الخصائص الخاصة لتكنولوجيا فوتونات السليكون ، طورت شبكة Ruijie مفاتيح تبريد سائل للوحة الباردة. من بينها ، تقوم تقنية OBO وتكنولوجيا NPO بتعبئة الوحدة الضوئية على اللوحة الأم ، في أقرب وقت ممكن من شريحة MAC. ومع ذلك ، فإن هذا سيجعل مصدر الحرارة شديد التركيز ، ويقتصر ارتفاع المعدات على متطلبات التصميم للشكل عالي الكثافة المتوقع 1RU ، لذلك من الصعب حل المشكلة باستخدام المشتت الحراري التقليدي المبرد بالهواء. إذا تم استخدام التبريد السائل الغاطس ، فسيتم تحدي إغلاق الرابط البصري بشدة.
الشكل 6. تطور بنية التبديل
في هذا الصدد ، تتبنى Ruijie المشتت الحراري للتبريد السائل ذو اللوحة الباردة لتغطية شريحة MAC والوحدة الضوئية المحيطة بطريقة متكاملة ، وتحمل الحرارة بعيدًا من خلال تدفق سائل التبريد في قناة التدفق في اللوحة. بالإضافة إلى ذلك ، لتقليل التعقيد وخطر التسرب لخطوط الأنابيب السائلة ، يتم تبريد مكونات التسخين الأخرى للجهاز بواسطة المراوح. يمكن لمحلول تبريد اللوح البارد أن يقتل عصفورين بحجر واحد. لا يمكنها تلبية متطلبات تبديد الحرارة لمصدر الحرارة العالي الكثافة NPO / CPO فحسب ، بل يمكنها أيضًا تقليل ارتفاع الجهاز إلى 1RU الرقيق للغاية.
إنجازات بحث وتطوير Ruijie في مفتاح التبريد السائل
في عام 2019 ، تعاونت شبكة Ruijie مع عميل الإنترنت المحلي لتقديم محول مركز البيانات المغمور بالسائل المبرد 32 * 100 جيجابت في الثانية ومفتاح إدارة شبكة جيجابت المقابل. في عام 2022 ، بدأت شبكة Ruijie في توزيع مفتاح تبريد سائل مغمور 100/200 / 400G ومفتاح تبريد سائل ذو لوحة باردة.
أطلقت شبكة Ruijie مبدلين تجاريين للتبريد السائل ، وهما مفتاح الوصول إلى مركز البيانات 32G بـ 100 منفذًا ومحول شبكة إدارة 48G بـ 1 منفذًا. كلا المفتاحين بعرض 21 بوصة ومتوافقان مع سائل التبريد 3M FC-40. يدعم مصدر الطاقة التكرار 1 + 1. تعمل وحدة ABS + PC القابلة للتوصيل على توفير تكلفة المبرد بشكل كبير. تسهل الأخاديد الموجودة على الوحدة تدفق السائل لتبديد الحرارة ، وتوازن بذكاء بين الطفو والجاذبية.
في القمة العالمية للمكتب الشريف للفوسفاط في نوفمبر 2021 ، شبكة رويجي offتم إصداره بشكل رسمي 64 * 400G مفتاح NPO مبرد بالسائل ذو لوحة باردة لتلبية متطلبات الموثوقية العالية لمراكز البيانات وشبكات الناقل.
تحت قيادة OIF ، تعاونت شبكة Ruijie مع العديد من الشركات المصنعة في الصناعة لإطلاق نموذج أولي هيكلي لمحول NPO للتبريد السائل 64 * 800G في قمة 2022 OFC. تدعم اللوحة الأمامية 64 موصلاً ليفيًا بسعة 800 جيجابت ، ويمكن أيضًا تقسيم كل منها إلى منفذين بسعة 400 جيجابت للتوافق مع الأمام. زاد عدد وحدات مصدر الليزر الخارجية إلى 16. نظرًا لتصميم Blind-mate ، يتم تجنب تلف الليزر عالي الطاقة لعين الإنسان ويتم ضمان سلامة موظفي التشغيل والصيانة إلى حد كبير. تدعم شرائح التبديل ووحدات NPO تبريد اللوح البارد لتبديد الحرارة بكفاءة ، مما يحل مشكلة تدفق الحرارة عالي التركيز. بالمقارنة مع أداء المفتاح مع الوحدة البصرية التقليدية القابلة للتوصيل والحل المبرد بالهواء ، يتم تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.